CN108843288A - 一种油田自动注水一体化装置的实时阀位软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油田注水领域，更具体地，涉及油田自动注水一体化装置的实时阀位软测量方法。该装置包括总管手动阀门、注水支路、第一手动阀门、压力计和注水总管；所述总管手动阀门和第一手动阀门分别设置在所述注水总管的两端，所述注水支路设置在所述总管手动阀门和第一手动阀门之间的管路上，所述压力计与所述第一手动阀门连接；所述注水总管设置总管手动阀门的一端为注水口，所述注水口通过管路与水泵连接。由于采用上述技术方案，本发明相对于传统的油田注水控制装置，可实时获取调节阀的状态信息，提高注水精度，减小人员巡检和维护强度，降低系统投资和运维成本。

Description

一种油田自动注水一体化装置的实时阀位软测量方法

技术领域

本发明涉及油田注水领域，更具体地，涉及油田自动注水一体化装置的实时阀位软测量方法。

背景技术

为了弥补采出原油等液体造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得一定的采收率，需要根据工艺要求对采油区进行注水作业。注水井控制间一般与用于区域油井的计量间并排放置，以便于管理和维护，注水井的注水作业除需要保证一定的压力和温度外，更加重要的是对每一口注水井还需要根据工艺状态，对注水井调节阀进行调整以保证每日和每月的注水量。

为节约投资成本，注水调节阀一般只是接受由注水误差计算出的阀位调整指令，而不具有阀位反馈功能，这就造成控制系统中无法实时获取调节阀的状态信息。当注水管路或调节阀转动部件出现异常时，阀位调整功能容易出现故障，造成在最大或最小位置仍无法满足注水要求的情况，造成注水量控制的准确度大幅度下降，经常性的异常也会加速调节阀使用寿命的损耗。当前市场也有具有反馈功能的电动阀门，但其价格比较昂贵，而且由于注水管道内水压不稳定，极易使这种阀门损坏。在以往的生产过程中，还曾发生过此类事故，造成工作中断，给企业带来直接的经济损失，还增加工作人员的工作量和劳动强度，直接影响企业的生产经营。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种油田自动注水一体化装置及其实时阀位软测量技术。该技术能实现提高油田注水精度，而且通过软测量技术，可实时监测注水阀阀位状态，减小人员巡检和维护强度，降低系统投资和运维成本的目的，为实现少人化、无人化采油作业提供有利条件。

本发明的技术方案是：一种油田自动注水一体化装置，该装置包括总管手动阀门、注水支路、第一手动阀门、压力计和注水总管；

其中，所述总管手动阀门和手动阀门分别设置在所述注水总管的两端，所述注水支路设置在所述总管手动阀门和手动阀门之间的管路上，所述压力计与所述手动阀门连接；所述注水总管设置总管手动阀门的一端为注水口，所述注水口与水泵连接。

进一步，所述注水支路包括一个或多个注水支路单元。

进一步，所述注水支路单元包括管路、第二手动阀阀门，电动阀门、流量计、压力计和PLC控制器；

其中，所述管路一端与注水总管连接，并通过支架固定，用于起到截止支路注水的作用的所述手动阀阀门设置在靠近所述管路与注水总管连接处的所述管路上，所述电动阀门设置在所述手动阀阀门另一端的所述管路上，所述PLC控制器与所述电动阀门控制连接，所述流量计和压力计设置在所述电动阀门上。

本发明的另一目的是提供使用上述的油田自动注水一体化装置的实时阀位软测量方法，具体步骤如下：

步骤1：对于注水管网中的任意管段，其压降方程为

其中，式中H为扬程，是单位重量液体通过泵所获得的能量；v为液流的平均速度；d为管段内径；Δz为管段终点与起点高程差；g为重力加速度；l为管段长度；λ为水力摩阻系数；

步骤2：将流量和速度关系式代入(1)式，可得扬程H与瞬时流量Q的直接关系式：

将其转换成非线性方程，即

步骤3：经过Taylor公式展开等一系列数学处理可得到未知量Q和H的值，公式如下：

其中，K_V为阀门流量系数，H为扬程；

将步骤2所求得的未知量值代入公式(4)即可求得K_V；

根据得到的流量系数K_V，代入公式(17)，求出阀门开度τ，公式如下：

K_V＝Kτ (17)，

其中，K_V为流量系数；τ为阀门开度；K为阀门开度系数，

步骤5：将经过步骤4得到阀门开度值_τ通过PLC控制器发送给需要注水的注水支路单元的电动阀门，将电动阀门开启到设定值，然后打开所述注水支路单元的手动阀门，开始注水。

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，本发明所提供的一种油田自动注水一体化装置及其实时阀位软测量技术，相对于传统的油田注水控制装置，可实时获取调节阀的状态信息，提高注水精度，减小人员巡检和维护强度，降低系统投资和运维成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种油田自动注水一体化装置结构示意图。

图2为本发明提供的一种油田自动注水一体化装置简化示意图。

图3为本发明提供的一种油田自动注水一体化装置的阀门流量特性曲线示意图。

图中：

1.总管手动阀门、2.注水支路、3.注水支路单元、3-1.管路、3-2.第二手动阀阀门，3-3.电动阀门、3-4.压力计3-5.PLC控制器、.第一手动阀门、5.压力计、6.注水总管、7.水泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案做详细说明。

如图1所示，本发明一种油田自动注水一体化装置，该装置包括总管手动阀门1、注水支路2、第一手动阀门4、压力计5和注水总管6；

其中，所述总管手动阀门1和手动阀门4分别设置在所述注水总管6的两端，所述注水支路2设置在所述总管手动阀门1和手动阀门4之间的管路上，所述压力计5与所述手动阀门4连接；所述注水总管6设置总管手动阀门1的一端为注水口，所述注水口与水泵连接。

所述注水支路2包括一个或多个注水支路单元3。

所述注水支路单元3包括管路3-1、第二手动阀阀门3-2，电动阀门3-3、流量计3-4、压力计3-5和PLC控制器3-6；

其中，所述管路3-1一端与注水总管6连接，并通过支架固定，用于起到截止支路注水的作用的所述手动阀阀门3-2设置在靠近所述管路3-1与注水总管6连接处的所述管路3-1上，所述电动阀门3-3设置在所述手动阀阀门3-2另一端的所述管路3-1上，所述PLC控制器3-5与所述电动阀门3-3控制连接，所述流量计和压力计3-4设置在所述电动阀门3-3上。

本发明的另一目的是提供使用上述的油田自动注水一体化装置的实时阀位软测量方法，具体步骤如下：

步骤1：对于注水管网中的任意管段，其压降方程为

其中，式中H为扬程，是单位重量液体通过泵所获得的能量；v为液流的平均速度；d为管段内径；Δz为管段终点与起点高程差；g为重力加速度；l为管段长度；λ为水力摩阻系数；

步骤2：将流量和速度关系式代入(1)式，可得扬程H与瞬时流量Q的直接关系式：

将其转换成非线性方程，即

步骤3：经过Taylor公式展开等一系列数学处理可得到未知量Q和H的值，公式如下：

其中，K_V为阀门流量系数，H为扬程；

将步骤2所求得的未知量值代入公式(4)即可求得K_V；

根据得到的流量系数K_V，代入公式(17)，求出阀门开度τ，公式如下：

K_V＝Kτ (17)，

其中，K_V为流量系数；τ为阀门开度；K为阀门开度系数，

步骤5：将经过步骤4得到阀门开度值_τ通过PLC控制器发送给需要注水的注水支路单元的电动阀门，将电动阀门开启到设定值，然后打开所述注水支路单元的手动阀门，开始注水。

如图2所示，一种油田自动注水一体化装置的管网简化示意图。图中0为泵站出口处，1-6分别为注水主管上的管段；11为第一条主管所生成的支管，21为第二条主管所生成的支管，31为第三条主管所生成的支管，41为第四条主管所生成的支管，51为第五条主管所生成的支管，61为第六条主管所生成的支管。下面结合管网简化示意图对阀门实时阀位软测量技术做详细说明。

对于注水管网中的任意管段，其压降方程为

其中，式中_H为扬程，是单位重量液体通过泵所获得的能量；v为液流的平均速度；d为管段内径；Δz为管段终点与起点高程差；g为重力加速度；l为管段长度；λ为水力摩阻系数。

对于任意支状管网系统，其管段总压降可根据管段的串并联关系叠加计算，如图2所示，当该管段在某一状态下工作时，其管段总压降为

由流量和速度关系式得

同理可得其他五条支路的相应方程。

如图2所示，其节点数为6个，Q₁，Q₂，Q₃，Q₄，Q₅及Q₆分别指

1-6中的流量；Q₁₁流过主管1所生成的支管中的流量；Q₂₁流过主管2所生成的支管中的流量；Q₃₁流过主管3所生成的支管中的流量；Q₄₁流过主管4所生成的支管中的流量；Q₅₁流过主管5所生成的支管中的流量；Q₆₁流过主管6所生成的支管中的流量。可得各节点的流量方程

泵站特性方程为H＝a+b+cQ²，通过最小二乘法可得三个系数分别为1.41，0.12，0.01。

综合管段总压降及流量方程可得到管网系统的非线性方程组

由式(8)和(9)得到了一组关于各个管段的流量Q和压降H的非线性方程组。即

由数值分析知13个未知数的非线性方程组

式中：f₁(x₁,x₂,...,x₁₃)是实变量x₁,x₂,...,x₁₃的非线性实值函数。向量X＝x₁,x₂,...,x₁₃为未知变量，并记

方程组式(12)记为

F(x)＝0 (13)，

其解为

假设f_i(x₁,x₂,...,x₁₃)，i＝1,2,...,13在所讨论的区域内关于自变量的二阶偏导数连续，再利用多元函数Taylor公式，在处展开并略去二次以上的项，可得近似公式

对方程式(14)作相应变化，得矩阵方程为

令

当矩阵J^k非奇异时，矩阵方程式(12)的解存在且唯一，取其解作为k+1次近似，则有

X^k+1＝X^k+1-(J^k)^-1F(X^k) (16)，

根据上述的方程求解，可得支线1-6路实时阀门瞬时流量，又由可得各支路阀门流量系数K_V。

如图3所示，电动调节阀的流量特性曲线，其是指在阀门两端压差保持恒定的条件下，水流经调节阀的相对流量与它的开度之间的关系。一般，阀门的特性包括线性、等百分比、抛物线、快开特性。考虑到实际工作环境，此处选择电动调节阀的线性流量特性对管道流量进行控制，由公式：

K_V＝Kτ (17)，

其中，K_V为流量系数；τ为阀门开度；K为阀门开度系数。此处，K＝1。在已知流量系数k_v的情况下很容易得到电动阀门的实时开度τ。

取一现场技术参数为例进行计算。

由流量计可测得各支路管段流量分别为Q₁₁＝3.84m³/天，Q₂₁＝10.32m³/天，Q₃₁＝10.08m³/天，Q₄₁＝10.65m³/天，Q₅₁＝10.11m³/天，Q₆₁＝10.17m³/天。将其代入公式(7)可得Q₁＝55.17m³/天，Q₂＝51.33m³/天，Q₃＝10.11m³/天，Q₄＝30.93m³/天，Q₅＝20.28m³/天，Q₆＝10.17m³/天，又已知π＝3.14，重力加速度_g＝9.8m/s²,水力摩擦系数_λ＝0.22kpa/m，管段直径d₁＝d₂＝d₃＝d₄＝d₅＝d₆＝0.265mm，d₁₁＝d₂₁＝d₃₁＝d₄₁＝d₅₁＝d₆₁＝0.180mm。将其代入公式(15)、(16)可得各支路管段电动阀门的流量系数K₁₁＝0.18,K₂₁＝0.27,K₃₁＝0.25,K₄₁＝0.33,K₅₁＝0.51,K₆₁＝0.8。结合阀门开度系数与阀门开度的关系可得各支路管段电动阀门开度为τ₁₁＝0.18,τ₂₁＝0.27,τ₃₁＝0.25,τ₄₁＝0.33,τ₅₁＝0.51,τ₆₁＝0.80。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种油田自动注水一体化装置，其特征在于，该装置包括总管手动阀门(1)、注水支路(2)、第一手动阀门(4)、压力计(5)和注水总管(6)；

其中，所述总管手动阀门(1)和第一手动阀门(3)分别设置在所述注水总管(6)的两端，所述注水支路(2)设置在所述总管手动阀门(1)和第一手动阀门(4)之间的管路上，所述压力计(5)与所述第一手动阀门(4)连接；所述注水总管(6)设置总管手动阀门(1)的一端为注水口，所述注水口通过管路与水泵(7)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注水支路(2)包括一个或多个注水支路单元(3)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述注水支路单元(3)包括管路(3-1)、第二手动阀阀门(3-2)，电动阀门(3-3)、压力计(3-4)和PLC控制器((3-5)；

其中，所述管路(3-1)一端与注水总管(6)连接，并通过支架固定，用于起到截止支路注水的作用的所述手动阀阀门(3-2)设置在靠近所述管路(3-1)与注水总管(6)连接处的所述管路(3-1)上，所述电动阀门(3-3)设置在所述手动阀阀门(3-2)另一端的所述管路(3-1)上，所述PLC控制器(3-5)与所述电动阀门(3-3)控制连接，所述流量计和压力计(3-4)设置在所述电动阀门(3-3)上。

4.一种使用如权利要求1-3任意一项所述的一种油田自动注水一体化装置的实时阀位软测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：对于注水管网中的任意管段，其压降方程为

其中，式中H为扬程，是单位重量液体通过泵所获得的能量；v为液流的平均速度；d为管段内径；Δz为管段终点与起点高程差；g为重力加速度；l为管段长度；λ为水力摩阻系数；

步骤2：将流量和速度关系式代入(1)式，可得扬程H与瞬时流量Q的直接关系式：

将其转换成非线性方程，即

步骤3：经过Taylor公式展开等一系列数学处理可得到未知量Q和H的值，公式如下：

其中，K_V为阀门流量系数，H为扬程；

将步骤2所求得的未知量值代入公式(4)即可求得K_V；

步骤4：根据得到的流量系数K_V，代入公式(17)，求出阀门开度τ，公式如下：

K_V＝Kτ (17)，

其中，K_V为流量系数；τ为阀门开度；K为阀门开度系数，

步骤5：将经过步骤4得到阀门开度值_τ通过PLC控制器发送给需要注水的注水支路单元的电动阀门，将电动阀门开启到设定值，然后打开所述注水支路单元的手动阀门，开始注水。